氮气往复压缩机组及管道振动分析与改造.pdf

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1、第39卷第5期化工机械643氮气往复压缩机组及管道振动分析与改造4周昕”1左志宏2杨国安1(1．北京化工大学；2．北京能源投资(集团)有限公司)摘要综合分析了引起往复压缩机组和管道振动过大的原因，对机组及附属装置进行了全面的声学和应力分析，从源头消减了气流脉动幅值。对压缩机组及附属装置提出了切实可行的整改方案，整改后机组运行状况良好，振动烈度从最大98mm／s降到10mm／s，使机组做到了长周期、稳定运行。关键词往复压缩机管道气流脉动减振应力分析中图分类号TQ051．21文献标识码B文章编号0254—6094(2012)05-0643加3某化工厂氮压机机组自

2、安装调试后，机组、附属装置和管道振动异常剧烈，压缩机缸体支撑，缓冲罐支座连接螺栓多次被振断，各段管线管夹、管箍均出现过被振断的情况。2号机组振动尤其剧烈，分离器支撑地脚连接螺栓、换热器地脚螺栓等也发生过断裂，四级排出管线部分、一级排出到二级吸入管线部分频繁发生开裂事故，多个焊接支撑被振开。厂方曾先后采取了一些措施，如加厚开裂部分的管道、在某些部位加装孔板及在振动剧烈的管道上加支撑等，但都没有效果。前后整改多次，尤其是前一次改动，整个管系添加了将近30个支撑，四级出口管线，几乎每隔1．5m就有一个管夹。但整个管系振动仍然十分严重。四级出口管线部分，管道振裂情况

3、略有好转，但与之相连接的分离器、缓冲罐的紧固螺栓断裂情况却更加频繁。一级分离器下部支腿与封头焊接处、二级吸气缓冲罐封头处也在前一次改造后出现过开裂。2号机组自投产使用后，机组时开时停，无法正常生产。1机组基本情况压缩机组分四级压缩，转速为333r／min，压缩机工艺参数见表l。表l压缩机工艺参数2振动机理分析往复压缩机管道振动原因大致分为3类：一是由于机器的动力平衡不好或基础存在问题引起的振动；二是由于管路振动系统的固有频率与激发频率接近或重合，引发管道共振；三是由于管道内气流脉动过大引起的振动。第一种原因引发的振动只发生在机器本身、基础及机器附近的管路上，

4、第三种原因引发的管道振动可以传的很远，由脉动引发的管道振动也是最常见的¨1。}国家自然基金资助项目(50875016)和国家重点基础研究发展计划(973)(2012cB026004)。¨周昕，女，1986年10月生，硕士研究生。北京市，100029。644化工机械2012年2．1振动数据分析使用自主开发的测振仪现场采集零负荷、50％负荷和满负荷的管道、压缩机上关键点处的振动信息。经测量，振动最大点出现在四级排出管线上，具体位置在四级管线异径管附近。主要振动频率集中在11、22、33Hz附近。如图1所示为振动烈度最大点处的振动频谱(该处主导频率为33Hz)。初

5、步判断，管道振动是气流脉动所致。87．41釜58．3脚29．2^·^L．●．．96160224频割Hz图l实测振动频谱2．2管道应力分析建立应力分析模型如图2所示。一次应力和二次应力分析结果表明应力均在ASMEB31．3所定标准范围内。图2应力分析模型2．3管道气流脉动分析管道内气流的压力和速度呈周期性变化，这种现象称气流脉动。活塞式压缩机气缸交替变换地吸排气，这就决定了往复压缩机气流脉动现象必然存在。由外部脉动源传来的压力波通过弯管、阀及异径管等管道单元时会有一部分产生反射。反射与管道单元的几何形状变化有关，且这样的反射还会影响该管道单元的局部流动状态，如

6、流速梯度、流体分离及剪切层等。这些局部流动状态的改变将影响脉动在这些管道单元的传递。目前，对脉动在管道系统内部或是在某一特定管道单元内的传递情况，普遍采用传递矩阵的方法来计算。压力脉动通过各种管道单元时的传递模型，可用一维模型代替实际中的三维模式。只要波的传播频率低于管道截止频率，理论上任何复杂的脉动情况都可以用一些简单管道单元的组合来代替，并且最终将其等效为一个一维平面波的传递。整体传递矩阵形式如下：㈣=[AⅢP：】其中P和y是声学状态向量，P是脉动压力，y是脉动体积流量。下标1和2值分别指上游和下游，如图3所示。脉Pl，l，I

7、P：，K『源。图3直管单元

8、本装置管道复杂，装置气流脉动分析过程中用到的传递矩阵算法包括等截面直管段单元和容器单元两种。2．3．1等截面直管段单元根据动量方程、连续性方程和能量方程，可以得到在理想情况下(管道为刚性，流体为稳定的理想流体)直管单元的声学传递矩阵：盼瞄≯笔施其中五。是波数，矗。=詈=孕；厂为频率；c。是介质中的声速；z0为管道中声学阻抗特性，Z。=竽；s为管道横截面积；p。为介质密度。上述声学传递矩阵的成立要满足两个条件：声学变量(p，M)要比常量小；为保证波以平面波形式传播，应使波的频率低于截止频率。对于圆管来说截至频率是0．586c。／D，这里的D指管道内径。考虑到阻

9、尼的影响，直管单元的声学传递矩阵为：第39卷第5期化